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1  引言

    隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求也越來越高，在競(jìng)爭(zhēng)中以太網(wǎng)以其傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)脫穎而出成為現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選，VLAN技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了網(wǎng)絡(luò)信息過載的問題，但是由于不同VLAN之間的通信必須依賴路由功能，而傳統(tǒng)的路由器由于其自身低速，復(fù)雜等局限性，很容易成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸使以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)路由的缺點(diǎn)，可以解決這個(gè)難題。

2  第三層交換技術(shù)發(fā)展的必要性

    傳統(tǒng)路由器的主要功能是實(shí)現(xiàn)路由選擇與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，即通過一定途徑獲得子網(wǎng)的拓?fù)湫畔⑴c各物理線路的網(wǎng)絡(luò)特性，并通過一定的路由算法得到到達(dá)各子網(wǎng)的最佳路徑。建立相應(yīng)的路由表，從而將每個(gè)IP包跳到跳（hop to hop）傳到目的地；其次，它必須處理不同的鏈路協(xié)議。IP包途經(jīng)每個(gè)路由器時(shí)，需經(jīng)過排隊(duì)、協(xié)議處理和尋址選擇路由等軟件處理環(huán)節(jié)，造成延時(shí)增大。同時(shí)路由器采用共享總線方式，總的吞吐量受到限制，當(dāng)用戶數(shù)量增大時(shí)，每個(gè)用戶的接入速率降低。路由器更注重對(duì)多種介質(zhì)類型和多種傳輸速度的支持，而目前數(shù)據(jù)緩沖和轉(zhuǎn)換能力比線速吞吐能力和低時(shí)延更為重要。

    與路由技術(shù)相比，交換技術(shù)的好處就是速度快，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí)，高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面，由于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)大都采用光纖技術(shù)，所以目前數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的主要瓶頸是結(jié)點(diǎn)路由器。現(xiàn)在的第三層交換、路由交換或其他相關(guān)名詞都是這種思路的體現(xiàn)。雖然第三層交換最初是為了局域網(wǎng)而設(shè)計(jì)的，它采用目的IP地址進(jìn)行交換，但是現(xiàn)在這種技術(shù)也已經(jīng)開始在廣域網(wǎng)中使用。它不需要將廣播封包擴(kuò)散，而是直接利用動(dòng)態(tài)建立的MAC地址來通信，如IP地址、ARP等，具有多路廣播和虛擬網(wǎng)間基于IP和IPX等協(xié)議的路由功能。這方面功能的順利實(shí)現(xiàn)，主要依靠專用集成電路ASIC把傳統(tǒng)路由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令，從而加速了對(duì)包的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，使得高速下的線性路由和服務(wù)質(zhì)量都有了很高的保證。

3  第三層交換技術(shù)的基本原理及結(jié)構(gòu)框架

3.1  第三層交換技術(shù)的基本原理

    第三層交換是在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中引入路由模塊而取代傳統(tǒng)路由器實(shí)現(xiàn)交換與路由相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的情況，靈活地在網(wǎng)絡(luò)第二層或者第三層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段。具有三層交換功能的設(shè)備是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡(jiǎn)單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。

    第三層交換機(jī)的設(shè)計(jì)基于對(duì)IP路由的仔細(xì)分析，把IP路由中每個(gè)報(bào)文都必須經(jīng)過的過程提取出來，這個(gè)過程是十分簡(jiǎn)化的過程。IP路由中絕大多數(shù)報(bào)文是不包含選項(xiàng)的報(bào)文，因此在多數(shù)情況下處理報(bào)文IP選項(xiàng)的工作是多余的。不同網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文長(zhǎng)度是不同的，為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)，IP要實(shí)現(xiàn)報(bào)文分片的功能，但是在全以太網(wǎng)的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)的幀長(zhǎng)度是固定的，因此報(bào)文分片也是一個(gè)可以省略的工作。第三層交換技術(shù)沒有采用路由器的最長(zhǎng)地址掩碼匹配的方法，而是使用了精確地址匹配的方法處理，這樣，有利于硬件實(shí)現(xiàn)快速查找。它采用了使用高速緩存的方法，把最近經(jīng)常使用的主機(jī)路由放到了硬件查找表中，只有在這個(gè)高速緩存中無法匹配的項(xiàng)目才會(huì)通過軟件去轉(zhuǎn)發(fā)。在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過程中使用了流交換方式，在流交換中，分析第一個(gè)報(bào)文確定其是否表示了一個(gè)流或者一組具有相同源地址和目的地址的報(bào)文。如果第一個(gè)報(bào)文具有了正確的特征，則該標(biāo)識(shí)流中的后續(xù)報(bào)文將擁有相同的優(yōu)先權(quán)，同一流中的后續(xù)報(bào)文被交換到基于第二層的目的地址上，現(xiàn)在的三層交換機(jī)為了實(shí)現(xiàn)高速交換，都采用流交換方式，其在IP路由的處理上進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的IP轉(zhuǎn)發(fā)流程，利用專用的ASIC芯片實(shí)現(xiàn)硬件的轉(zhuǎn)發(fā)，這樣絕大多數(shù)的報(bào)文處理都可以在硬件中實(shí)現(xiàn)了，只有極少數(shù)報(bào)文才需要使用軟件轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能能夠得以成千倍地增加，相同性能的設(shè)備在成本上也得到大幅度下降。

    每個(gè)VLAN對(duì)應(yīng)一個(gè)IP網(wǎng)段。在二層上，VLAN之間是隔離的，這點(diǎn)跟二層交換機(jī)中交換引擎的功能是一模一樣的。不同IP 網(wǎng)段之間的訪問要跨越VLAN，要使用三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎提供的VLAN間路由功能。在使用二層交換機(jī)和路由器的組網(wǎng)中，每個(gè)需要與其他IP網(wǎng)段通信的IP網(wǎng)段都需要使用一個(gè)路由器接口作為網(wǎng)關(guān)。而第三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎就相當(dāng)于傳統(tǒng)組網(wǎng)中的路由器，當(dāng)需要與其他VLAN通信時(shí)也要在三層交換引擎上分配一個(gè)路由接口，用來做VLAN的網(wǎng)關(guān)。三層交換機(jī)上的這個(gè)路由接口是在三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎和二層轉(zhuǎn)發(fā)引擎上的，是通過配置轉(zhuǎn)發(fā)芯片來實(shí)現(xiàn)的，與路由器的接口不同，它是不可見的。下面舉個(gè)例子來說明通信過程，假設(shè)兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A和B，通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送站A在開始發(fā)送時(shí)，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)，若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，則進(jìn)行二層的轉(zhuǎn)發(fā)，若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向三層交換機(jī)的三層交換模塊發(fā)出ARP（地址解析）封包。當(dāng)發(fā)送站A對(duì)三層交換模塊的IP地址廣播出一個(gè)ARP請(qǐng)求時(shí)，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址，否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站廣播一個(gè)

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